Validazione sperimentale di un Beamformer a onde millimetriche per applicazioni 5G e FWA.

The advent of the fifth generation wireless communications systems (5G) marks a significant leap forward in the telecommunications industry, promising unprecedented data speeds, lower latency, and higher connectivity density. This advancement is not merely an evolution, but a revolution, enabling a wide range of new applications and services, from enhanced mobile broadband (eMBB) to mission-critical communications and the massive Internet of Things (IoT). The use of millimeter-wave (mmWave) frequencies is at the core of these technological advances, which provide wide bandwidths needed to accommodate the growing amount of data traffic. However, the propagation of millimeter-wave signals presents significant challenges. In particular, millimeter-wave signals cannot travel long distances and do not have great penetration capacity because they are rapidly absorbed and scattered by the obstacles they encounter. Beamforming is emerging as a key technology that enables targeted signal transmission and reception, mitigating the inherent drawbacks of millimeter-wave signal propagation and improving system performance and reliability. Beamforming is a method for directing the transmission or reception of signals in specific directions, and it is proving to be critical in realizing the full potential of 5G networks. By dynamically adjusting the phase and amplitude of the signal on each antenna element in an array, beamforming can create highly directional beams. This capability not only improves signal quality and range, but also maximizes spectral efficiency by enabling multiple spatial streams. However, the effectiveness of beamforming depends on the accuracy of system calibration. Calibration is the process of identifying and correcting discrepancies between the designed and actual operating characteristics of the antenna. Given the high frequencies and intricate nature of phased arrays, even small misalignment or variations can have a significant impact on performance. Calibration ensures that each antenna element contributes accurately to beamforming, optimizing the system's ability to direct energy to the intended receivers while minimizing interference and signal degradation. This thesis addresses the critical need for rigorous validation and experimental calibration of millimeter-wave beamformers for 5G and FWA applications. Through comprehensive theoretical analysis and experimental procedures, it explores the complexities of beamformer calibration, including identification of key parameters, development of calibration algorithms, and implementation of validation protocols. Focusing on the practical aspects of calibration, from laboratory setups to field trials, the research aims to bridge the gap between theoretical expectations and actual performance. The results of this study are expected to provide invaluable insight into the design and optimization of mmWave beamforming arrays.

L'avvento della quinta generazione di sistemi di comunicazione wireless (5G) segna un significativo balzo in avanti nel settore delle telecomunicazioni, promettendo velocità di dati senza precedenti, minore latenza e maggiore densità di connettività. Questo progresso non è solo un'evoluzione, ma una vera e propria rivoluzione, che consente un'ampia gamma di nuove applicazioni e servizi, dalla banda larga mobile potenziata (eMBB) alle comunicazioni mission-critical e all'Internet degli oggetti (IoT). Al centro di questi progressi tecnologici c'è l'uso di frequenze a onde millimetriche (mmWave), che forniscono ampie larghezze di banda, necessarie per soddisfare la crescente quantità di traffico dati. Tuttavia, la propagazione dei segnali a onde millimetriche presenta notevoli difficoltà. In particolare, i segnali a onde millimetriche non possono percorrere lunghe distanze e non hanno una grande capacità di penetrazione in quanto vengono assorbite e disperse rapidamente dai materiali solidi che incontrano. Il beamforming sta emergendo come una tecnologia chiave che consente la trasmissione e la ricezione mirata del segnale, attenuando gli inconvenienti intrinseci della propagazione di segnali a onde millimetriche e migliorando le prestazioni e l'affidabilità del sistema. Il beamforming, un metodo per dirigere la trasmissione o la ricezione dei segnali in direzioni specifiche, è fondamentale per realizzare il pieno potenziale delle reti 5G. Regolando dinamicamente la fase e l'ampiezza del segnale su ciascun elemento dell'antenna in un array, il beamforming può creare fasci altamente direzionali. Questa capacità non solo migliora la qualità e la portata del segnale, ma massimizza anche l'efficienza spettrale consentendo flussi spaziali multipli. Tuttavia, l'efficacia del beamforming dipende dall'accuratezza della calibrazione del sistema. La calibrazione è il processo di identificazione e correzione delle discrepanze tra le caratteristiche operative progettate e quelle effettive dell'antenna. Date le alte frequenze e la natura intricata dei phased array, anche piccoli disallineamenti o variazioni possono avere un impatto significativo sulle prestazioni. La calibrazione garantisce che ogni elemento dell'antenna contribuisca con precisione alla formazione del fascio, ottimizzando la capacità del sistema di indirizzare l'energia verso i ricevitori previsti, riducendo al minimo le interferenze e la degradazione del segnale. Questa tesi risponde all'esigenza critica di una validazione rigorosa e di una calibrazione sperimentale dei beamformer a onde millimetriche per applicazioni 5G e FWA. Attraverso un'analisi teorica completa e procedure sperimentali, esplora le complessità della calibrazione dei beamformer, compresa l'identificazione dei parametri chiave, lo sviluppo di algoritmi di calibrazione e l'implementazione di protocolli di validazione. Concentrandosi sugli aspetti pratici della calibrazione, dalle configurazioni di laboratorio alle prove sul campo, la ricerca mira a colmare il divario tra le aspettative teoriche e le prestazioni reali. Si prevede che i risultati di questo studio forniranno preziose indicazioni per la progettazione e l'ottimizzazione degli array di beamforming a onde millimetriche.